Análise experimental e numérica de sapatas estaqueadas em solos coesivos-friccionais

Abstract

Essa pesquisa visou analisar o comportamento de sapatas estaqueadas assentes em solos residuais de basalto encontrados em regiões do sul do Brasil. Esses solos apresentam característica coesiva friccional devido ao seu comportamento mecânico proveniente do arranjo estrutural entre os grãos de solo e a cimentação natural que ocorre entre as partículas. Foram executadas provas de carga estática para um grupo de estacas unidas por um bloco sem contato com o solo e para uma sapata estaqueada que possuía as mesmas dimensões e geometria do grupo de estacas. As estacas foram instrumentadas em profundidade com sensores de deformação posicionados no fuste do elemento. A instrumentação foi utilizada para se conhecer o mecanismo de distribuição das cargas dissipadas ao solo por atrito lateral e pela ponta das estacas, assim como para se determinar as parcelas de contribuição dos elementos que compõem a fundação mista (estacas e sapata/bloco). Em adição, realizaram-se análises tridimensionais por elementos finitos através da modelagem dos ensaios de campo no software Abaqus, de maneira a se calibrar o modelo numérico conforme as particularidades do solo residual. O modelo constitutivo que melhor se adequou ao comportamento elastoplástico do solo residual foi o modelo modificado de Drucker–Prager. A partir dos resultados experimentais, a geometria analisada, referente a uma sapata com quatro estacas de 20cm de diâmetro e 3 m de comprimento, resultou em uma contribuição média de 60% da sapata, para 40% das estacas. Analisando somente a distribuição do elemento de fundação profunda, obteve-se um valor médio de 80% de resistência devido ao atrito lateral frente a 20% de resistência de ponta. A comparação entre o grupo de estacas e a sapata estaqueada mostrou que o contato sapata-solo modificou o comportamento da transferência de carga pelo fuste das estacas, indicando que fundações mistas possuem um comportamento único. O desempenho integrado da sapata estaqueada, que ocorre desde o início das deformações, forneceu a melhor configuração de aproveitamento das características encontradas no solo coesivo-friccional.

This research aimed to analyze the behavior of piled footings resting on residual basaltic soils found in southern regions of Brazil. These soils exhibit cohesive-frictional characteristics due to their mechanical behavior, which results from the structural arrangement between soil grains and the natural cementation that occurs between the particles. Static load tests were carried out on a group of piles connected by a pile cap with no contact with the soil and on a piled footing with the same dimensions and geometry as the pile group. The piles were instrumented in depth with strain gauges positioned along the shaft of the element. The instrumentation was used to understand the load distribution mechanism dissipated into the soil through side friction and pile tip resistance, as well as to determine the contribution of each component of the composite foundation (piles and footing/pile cap). Additionally, three-dimensional finite element analyses were performed through the modeling of field tests in Abaqus software to calibrate the numerical model according to the specificities of the residual soil. The constitutive model that best suited the elastoplastic behavior of the residual soil was the modified Drucker–Prager model. Based on the experimental results, the analyzed geometry, referring to a footing with four piles of 20 cm diameter and 3 m length, showed an average contribution of 60% from the footing and 40% from the piles. Analyzing only the load distribution of the deep foundation elements, an average value of 80% resistance was obtained due to side friction compared to 20% from tip resistance. The comparison between the pile group and the piled footing showed that the footing-soil contact altered the load transfer behavior along the pile shaft, indicating that composite foundations exhibit a unique behavior. The integrated performance of the piled footing, which occurs from the onset of deformations, provided the best configuration to utilize the characteristics of the cohesive-frictional soil.